轨道交通工程穿越地裂缝断层及沉降区处置设计技术

蔺云宏

(广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010)

随着国内轨道交通建设的快速发展，轨道交通建设遇到的工程地质情况越来越复杂，地裂缝就是一种比较常见的地质灾害[1-5]。由于轨道交通隧道连续性特点，无法采取避让措施防止地裂缝的破坏[4]。当地铁隧道垂直或小角度穿越地裂缝时，地裂缝沉降区域会引起地铁隧道结构不均匀沉降，导致结构开裂，轨道变形，影响地铁的运营安全。

地裂缝泛指所有地表和土层中的裂缝，是一种岩土介质的不连续和错断现象，是内外力和人类活动等因素引起的地表破裂行为[6-8]。国内目前尚未涉及地裂缝区域隧道建设的相关技术标准，仅部分城市及地区根据当地地裂缝分布状态和力学特性，制定了隧道穿越地裂缝段技术规范，但仍处于概述性描述阶段，对于地裂缝的影响范围、沉降深度及工程处理方案均未给出明确的解释。当前隧道遇到地裂缝比较常规的处理方案有以下几种：(1)调整隧道线路走向与地裂缝一致，使线路平面置于相对稳定的下盘，线路位于地裂缝上盘时，隧道应避开地裂缝一定的安全距离，该方案能较好地避免地裂缝对隧道的影响，但是对于轨道交通工程，会损失部分功能，不能较好地实现地铁交通的辐射功能；(2)对于线路走向与地裂缝走向相交时，隧道纵断面设计应充分考虑地裂缝上盘的垂直沉降变形工况，对于纵断面如何，如何设计地裂缝上盘沉降值，适用范围如何，目前均无明确解释。

本文针对地裂缝产生的地层沉降范围、沉降深度，结合线路调线调坡能力，将地裂缝变形情况分为3类，研究轨道交通穿越地裂缝变形区时的处理方案，并有针对性地提出相应措施，为后续轨道交通建设提供指导。

1 地裂缝变形规律

地裂缝上下盘相对垂直错动规律如图1所示。下盘基本处于稳定状态，沉降量可取为0,上盘较为活跃，沉降量较大。

图1 地裂缝上下盘沉降状态

轨道交通隧道纵断面设计阶段，应充分考虑地裂缝沉降变形后的工况，根据地铁设计规范[9]要求，线路调坡长度L不宜小于远期一列车长度(A型车长140 m，B型车长120 m)，并应满足“相邻竖曲线的夹直线长度不小于50 m”的要求。如图2所示，调坡段最小长度[10-13]为：

图2 线路调坡最小长度示意

Lmin=S缓1+T圆1+S缓1+L夹直+S缓2+T圆2+S缓2+L夹直+S缓3+T圆3+S缓3

(1)

其中，缓和曲线在设计过程中通常取0。

由于地裂缝成因不同，导致地层沉降变形范围ΔB及垂直位移ΔS不同。通过对比地层变形范围ΔB、垂直位移ΔS与线路调坡段长度Lmin、线路调坡允许最大垂直位移Amax之间的关系，将地层变形形式分为以下3种：

(1)地裂缝上下盘垂直错动影响范围较小，地层沉降范围小于线路调坡最小长度情况，即ΔB

(2)地裂缝上下盘垂直错动影响范围较大，地层沉降范围远大于线路调坡长度情况，可假定位于上盘的隧道均发生沉降，即ΔB>>Lmin，如图4所示。

(3)地裂缝上下盘垂直错动引起的地层沉降范围不满足线路调坡长度，且远小于隧道长度，即ΔB≥Lmin，如图5所示。

2 轨道交通穿越地裂缝沉降区处理方案

2.1 工况一：ΔB

该工况下，地层沉降过程中，隧道结构随沉降地层一起变形，隧道轨面上方净空不满足使用要求，且地层沉降范围较大，超出专业处理范围，同时又不满足线路调坡最小距离要求，如图6所示。针对该情况，设计前应提前预测隧道使用期间地层最大沉降值，根据预测地层最大沉降值确定隧道断面尺寸，以便在地铁使用期内，地裂缝错动后仍能保证行车，如图7所示。同时在地裂缝两侧每隔10～15 m设置特殊变形缝，释放错动产生的变形，变形缝处结构加厚，满足错动变形后的结构安全及使用要求，并在底板预设注浆、填料孔，以便充填基底的掏空，如图8所示。在地裂缝周围一定范围内禁止开采地下水，并防止地表水灌入地裂缝。

图6 ΔB

图7 ΔB

图8 ΔB

2.2 工况二：ΔB>>Lmin

当地层沉降范围ΔB>>Lmin时，地层沉降过程中，隧道结构随地层一起变形，隧道轨面上方净空不满足使用要求。考虑地层沉降范围大于线路调坡最小距离，隧道结构变形后，在结构断面不加大情况下，通过线路调坡，满足隧道轨面上方净空要求，保证在地面沉降后仍保证行车。同时，在地裂缝两侧每隔10～15 m设置特殊变形缝，释放错动产生的变形，变形缝处结构加厚，满足错动变形后的结构安全及使用要求，并在底板预设注浆、填料孔，以便充填基底的掏空，如图9所示。在地裂缝周围一定范围内禁止开采地下水，并防止地表水灌入地裂缝。

图9 ΔB>>Lmin工况隧道处理方案

2.3 工况三：ΔB≥Lmin

当地层沉降范围ΔB>Lmin时，地层沉降过程中，隧道结构随地层沉降一起变形，假定地裂缝上盘发生垂直位移为ΔS，线路调坡运行最大垂直位移Amax。若ΔS

3 结论

通过对地裂缝错动规律及沉降区范围、深度进行分析，针对不同情况提出了相应的处理方案，研究结论为后续相关工程设计及施工提供借鉴和参考，具体结论如下：

(1)本文所分析3种情况基本已涵盖轨道交通穿越地裂缝断层及沉降区的各种情况，研究结果可指导后续轨道交通穿越地裂缝断层及沉降区的设计方案。

(2)后续地铁线路在设计阶段，通过提前预测隧道使用期间地层最大沉降值，在设计阶段预留沉降变形值，并结合本文研究结果采用合适措施，保证轨道交通在地层变形后仍可正常运营。